JP6984481B2 - 鋳鋼部材の溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳鋼部材の溶接方法に関する。

例えば、火力発電所の施設内には、発電機を発電させるための蒸気タービン車室や弁等の鋳鋼製の設備が設置されている。しかし、これらの鋳鋼製の設備は、高温の環境下で運転されるため、起動と停止が繰り返されると、熱応力による影響を受けて亀裂が発生することとなる。

そこで、鋳鋼製の設備に亀裂が発生した場合、例えば以下の対処方法が適宜実施されている。

先ず、第１の対処方法として、亀裂を研削等で除去し、亀裂を除去した後の肉厚が予め定められた最小肉厚に達したときに設備を新たな設備に交換する方法が挙げられる。

又、第２の対処方法として、亀裂を研削等で除去して開先を形成し、開先に溶接材を供給して肉盛を形成し、溶接後熱処理を行って設備の肉厚を回復する方法が挙げられる。

特開２０１６−１１２５７４号公報

しかし、第１の対処方法の場合、蒸気タービン車室や弁等の大型の鋳鋼製の設備を新たな設備に交換するに際して、長期の時間を要する虞があった。

又、第２の対処方法の場合、鋳鋼製の設備を工場まで運搬して溶接後熱処理を行う方法と、発電所の施設内（現場）で溶接後熱処理を行う方法と、がある。前者の場合、鋳鋼製の設備を工場に持ち帰らなければならないが、工場の炉内で鋳鋼製の設備全体に対して溶接後熱処理を行うため、溶接残留応力を効果的に低減することができる。一方、後者の場合、現場で溶接後熱処理を行えるが、当該溶接後熱処理は鋳鋼製の設備における溶接個所をヒータ等で部分的に加熱する処理であるため、前者と同様に溶接残留応力を低減することはできない。特に、亀裂が深く溶接材の使用量が多くなった場合、溶接後熱処理が更に不十分となって、溶接残留応力に起因して溶接変形を生じていた。

そこで、本発明は、鋳鋼製の設備が設置されている施設内において、溶接残留応力を効果的に低減するための鋳鋼部材の溶接方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、鋳鋼部材の溶接方法として、鋳鋼部材に発生した亀裂を除去し、前記亀裂の深さに応じた形状の開先を形成する第１工程と、前記開先の底面よりも高く前記鋳鋼部材の表面よりも低い第１位置まで、前記開先に溶接材を供給して第１肉盛を形成する第２工程と、前記開先の底面よりも高く前記第１肉盛の表面よりも低い第２位置まで、前記第１肉盛に前記開先の底面に向かう方向に嵌入孔を穿設する第３工程と、前記第１肉盛の表面よりも高い第３位置まで、前記嵌入孔に前記溶接材と実質的に同一の材料で形成される嵌入ピンを嵌入する第４工程と、前記嵌入ピンを覆うように、前記開先に前記溶接材を供給して第２肉盛を形成する第５工程と、を含む。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、鋳鋼製の設備が設置されている施設内において、溶接残留応力を効果的に低減することが可能となる。

本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、蒸気タービン車室に亀裂が発生した様子を示す側断面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、亀裂の発生個所に開先を形成した様子を示す側断面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、開先に第１肉盛を形成した様子を示す側断面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、第１肉盛に嵌入孔を穿設した様子を示す側断面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、第１肉盛に嵌入孔を穿設した様子を示す上面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、嵌入孔に嵌入ピンを打ち込んだ様子を示す側断面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、嵌入孔に嵌入ピンを打ち込んだ様子を示す嵌入孔に嵌入ピンを打ち込んだ様子を示す上面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子のうち、開先に第２肉盛を形成した様子を示す側断面図である。 本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を示すフローチャートである。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝溶接方法＝＝＝
図１Ａ〜図１Ｈは、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を用いて鋳鋼部材の亀裂を補修する際の様子を段階的に示す図である。以下、図１Ａ〜図１Ｈを具体的に説明する。図１Ａは、蒸気タービン車室に亀裂が発生した様子を示す側断面図である。図１Ｂは、亀裂の発生個所に開先を形成した様子を示す側断面図である。図１Ｃは、開先に第１肉盛を形成した様子を示す側断面図である。図１Ｄは、第１肉盛に嵌入孔を穿設した様子を示す側断面図であり、図１Ｅは、第１肉盛に嵌入孔を穿設した様子を示す上面図である。図１Ｆは、嵌入孔に嵌入ピンを打ち込んだ様子を示す側断面図であり、図１Ｇは、嵌入孔に嵌入ピンを打ち込んだ様子を示す上面図である。図１Ｈは、開先に第２肉盛を形成した様子を示す側断面図である。又、図２は、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を示すフローチャートである。尚、本実施形態において、鋳鋼部材は例えば火力発電所の施設内において高温の環境下に設置された鋳鋼製の蒸気タービン車室であることとし、蒸気タービンの起動及び停止が繰り返されることによって発生した亀裂を補修する場合の溶接方法について説明する。

＜第１工程＞
図１Ａ、図１Ｂ、図２のステップＳ１〜Ｓ３を参照して、第１工程を説明する。

先ず、蒸気タービン車室１に亀裂２が発生しているか否かを判断する（ステップＳ１）。尚、亀裂２の有無を判断する場合、例えば、開放点検の際に非破壊検査のひとつである浸透探傷検査等を行うことによって判断すればよい。

次に、蒸気タービン車室１に亀裂２が発生している場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、例えば亀裂進展予測プログラムによって、蒸気タービン車室１の板厚方向（深さ方向）における亀裂２の進行の度合を解析し、亀裂２が蒸気タービン車室１の必要最小肉厚まで到達することが懸念されるときに亀裂２の深さに応じて開先３の形状を決定する（ステップＳ２）。尚、本実施形態において、開先３は、例えば蒸気タービン車室１の板厚方向に向かうにつれて径が小さくなる四角錐台の形状を呈することとする。一方、蒸気タービン車室１に亀裂２が発生していない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、蒸気タービン車室１に亀裂２が発生しているか否かの判断を繰り返す。

次に、亀裂２を研削して除去しつつ四角錘台の形状を呈する開先３を形成する（ステップＳ３）。尚、開先３を形成する場合、例えばグラインダー（不図示）を用いればよい。

＜第２工程＞
図１Ｃ及び図２のステップＳ４を参照して、第２工程を説明する。

開先３の底面３１よりも高く蒸気タービン車室１の表面１１よりも低い第１位置Ｐ１まで、開先３に溶融状態の溶接材を供給し、アーク溶接によって第１肉盛４を形成する（ステップＳ４）。尚、第１肉盛４は、溶接材が固化することによって形成され、更に、複数の小肉盛４１が隣り合うとともに層状に重なり合うことによって形成されている。又、溶接材はニッケル及びクロムを含有するものとする。そして、溶接材がニッケルを含有することによって、溶接個所が急冷に対して硬化しにくくなり、溶接材がクロムを含有することによって、溶接個所が高温下で酸化しにくくなる利点が得られる。

＜第３工程＞
図１Ｄ、図１Ｅ、図２のステップＳ５を参照して、第３工程を説明する。

第１肉盛４が完全に冷却する前に、開先３の底面３１よりも高く第１肉盛４の表面４２よりも低い第２位置Ｐ２まで、第１肉盛４に開先３の底面３１に向かう方向に嵌入孔５を穿設する（ステップＳ５）。尚、嵌入孔５を穿設する場合、周知のドリル（不図示）を用いればよい。当該ドリルには、開先３の底面３１の径よりも僅かに小さい径を有するドリル刃を装着し、これによって、嵌入孔５は、開先３の底面３１の径よりも僅かに小さい径を有することとする。

嵌入孔５は、第１嵌入孔５１、第２嵌入孔５２、第３嵌入孔５３からなる。第１嵌入孔５１は、例えば円柱形状を呈する孔であって、開先３の底面３１の真上に穿設される。第１嵌入孔５１を穿設するときの第２位置Ｐ２は、開先３の底面３１に当たらない位置であって開先３の底面３１の僅かに上の位置とされる（位置Ｐ２１と称する）。又、第２嵌入孔５２は、例えば円柱形状を呈する孔であって、第１嵌入孔５１の両側に並ぶように複数穿設され、更に、開先３の開口３２を形成する４本の辺のうち対向する２本の辺３３，３４の方向（第１方向）に沿うように穿設される。第２嵌入孔５２を穿設したときの第２位置Ｐ２は、位置Ｐ２１よりも高い位置であって開先３の側面３５に当たらない最低位置とされる（位置Ｐ２２と称する）。又、第３嵌入孔５３は、例えば円柱形状を呈する孔であって、第１嵌入孔５１の両側に並ぶように複数穿設され、更に、開先３の開口３２を形成する４本の辺のうち対向する他の２本の辺３６，３７の方向（第１方向に直交する第２方向）に沿うように穿設される。第３嵌入孔５３を穿設したときの第２位置Ｐ２は、位置Ｐ２１よりも高い位置であって開先３の側面３５に当たらない最低位置とされる（位置Ｐ２３と称する）。

このように、第１肉盛４が完全に冷却する前に、第１嵌入孔５１及び第２嵌入孔５２からなる列と、第１嵌入孔５１及び第３嵌入孔５３からなる列と、をそれぞれ異なる２方向に穿設するため、第１肉盛４の収縮力が開放され、亀裂２の発生個所における溶接変形が緩和される。

＜第４工程＞
図１Ｆ、図１Ｇ、図２のステップＳ６を参照して、第４工程を説明する。

嵌入ピン６が第１肉盛４の表面４２よりも高い第３位置Ｐ３まで突出するように、嵌入孔５に嵌入ピン６を打ち込む（ステップＳ６）。

嵌入ピン６は、第１嵌入ピン６１、第２嵌入ピン６２、第３嵌入ピン６３からなる。第１嵌入ピン６１は、第１嵌入孔５１に嵌入する円柱形状を呈するピンであって、第１嵌入孔５１の径よりも僅かに小さい径を有し、第１嵌入孔５１の底面の位置まで嵌入したときに蒸気タービン車室１の表面１１の位置まで突出する長さを有する。第２嵌入ピン６２は、第２嵌入孔５２に嵌入する円柱形状を呈するピンであって、第２嵌入孔５２の径よりも僅かに小さい径を有し、第２嵌入孔５２の底面の位置まで嵌入したときに蒸気タービン車室１の表面１１の位置まで突出する長さを有する。第３嵌入ピン６３は、第３嵌入孔５３に嵌入する円柱形状を呈するピンであって、第３嵌入孔５３の径よりも僅かに小さい径を有し、第３嵌入孔５３の底面の位置まで嵌入したときに蒸気タービン車室１の表面１１の位置まで突出する長さを有する。つまり、嵌入孔５に嵌入ピン６を打ち込んだときの第３位置Ｐ３は、蒸気タービン車室１の表面１１の位置であることとする。

嵌入ピン６は、第１肉盛４を形成するための溶接材と同一の材料で形成される。本実施形態において、嵌入ピン６はニッケル及びクロムを含有するものとする。

＜第５工程＞
図１Ｈ及び図２のステップＳ７を参照して、第５工程を説明する。

第１肉盛４の上において嵌入ピン６の周囲を覆うように、開先３に溶融状態の溶接材を供給し、アーク溶接によって第２肉盛７を形成する（ステップＳ７）。尚、第２肉盛７は、溶接材が固化することによって形成され、更に、複数の小肉盛７１が隣り合うとともに層状に重なり合うことによって形成される。又、第２肉盛７を形成するための溶接材は、第１肉盛４を形成するための溶接材と同様に、ニッケル及びクロムを含有するものとする。

＝＝＝まとめ＝＝＝
以上説明したように、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法は、蒸気タービン車室１に発生した亀裂２を除去し、亀裂２の深さに応じた形状の開先３を形成する第１工程と、開先３の底面３１よりも高く蒸気タービン車室１の表面１１よりも低い第１位置Ｐ１まで、開先３に溶接材を供給して第１肉盛４を形成する第２工程と、開先３の底面３１よりも高く第１肉盛４の表面４２よりも低い第２位置Ｐ２まで、第１肉盛４に開先３の底面３１に向かう方向に嵌入孔５を穿設する第３工程と、第１肉盛４の表面４２よりも高い第３位置Ｐ３（蒸気タービン車室１の表面１Ａの位置）まで、嵌入孔５に溶接材と実質的に同一の材料で形成される嵌入ピン６を嵌入する第４工程と、嵌入ピン６を覆うように、開先３に溶接材を供給して第２肉盛７を形成する第５工程と、を含む。そして、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法を採用することによって、蒸気タービン車室１の施設内において、溶接残留応力を効果的に低減することが可能となる。

又、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法において、開先３は、蒸気タービン車室１の板厚方向（深さ方向）に向かうにつれて径が小さくなる四角錐台の形状を呈する。これによって、開先３の断面積が開口３２に向かうにつれて広がるため、嵌入孔５に嵌入ピン６を確実に打ち込むことが可能となる。

又、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法において、嵌入孔５は、第１肉盛４が完全に冷却する前に穿設される。これによって、第１肉盛４の収縮力が開放され、亀裂２の発生個所における溶接変形を抑制が緩和することが可能となる。

又、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法において、嵌入孔５の径は、開先３の底面３１の径よりも僅かに小さい値である。これによって、嵌入ピン６の径を比較的大径とできるため、亀裂２の発生個所の溶接強度を増すことが可能となる。

又、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法において、嵌入ピン６は、嵌入孔５に嵌入されたとき、蒸気タービン車室１の表面１１の位置まで突出する長さを有する。これによって、嵌入ピン６を比較的長尺とできるため、亀裂２の発生個所の溶接強度を増すことが可能となる。

又、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法において、嵌入孔５は、開先３の底面３１の真上に穿設される第１嵌入孔５１と、第１嵌入孔５１に並んで第１方向に沿って穿設される第２嵌入孔５２と、第１嵌入孔５１に並んで第１方向とは直交する第２方向に沿って穿設される第３嵌入孔５３と、を含み、嵌入ピン６は、第１嵌入孔５１に嵌入される第１嵌入ピン６１と、第２嵌入孔５２に嵌入される第２嵌入ピン６２と、第３嵌入孔５３に嵌入される第３嵌入ピン６３と、を含む。

又、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法において、第１嵌入孔５１、第２嵌入孔５２、第３嵌入孔５３は、それぞれ同一の径を有し、第１嵌入ピン６１、第２嵌入ピン６２、第３嵌入ピン６３は、それぞれ同一の径を有する。

又、本実施形態に係る鋳鋼部材の溶接方法において、溶接材及び嵌入ピン６は、ニッケル合金を含む。これによって、溶接個所が急冷に対して硬化しにくくなるため、嵌入孔５に嵌入ピン６を確実に打ち込むことが可能となる。

尚、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１ 蒸気タービン車室
１１ 表面
２ 亀裂
３ 開先
３１ 底面
３２ 開口
３３，３４，３６，３７ 辺
３５ 側面
４ 第１肉盛
４１ 小肉盛
４２ 表面
５ 嵌入孔
５１ 第１嵌入孔
５２ 第２嵌入孔
５３ 第３嵌入孔
６ 嵌入ピン
６１ 第１嵌入ピン
６２ 第２嵌入ピン
６３ 第３嵌入ピン
７ 第２肉盛
７１ 小肉盛

Claims (10)

1. 鋳鋼部材に発生した亀裂を除去し、前記亀裂の深さに応じた形状の開先を形成する第１工程と、
   前記開先の底面よりも高く前記鋳鋼部材の表面よりも低い第１位置まで、前記開先に溶接材を供給して第１肉盛を形成する第２工程と、
   前記開先の底面よりも高く前記第１肉盛の表面よりも低い第２位置まで、前記第１肉盛に前記開先の底面に向かう方向に嵌入孔を穿設する第３工程と、
   前記第１肉盛の表面よりも高い第３位置まで、前記嵌入孔に前記溶接材と実質的に同一の材料で形成される嵌入ピンを嵌入する第４工程と、
   前記嵌入ピンを覆うように、前記開先に前記溶接材を供給して第２肉盛を形成する第５工程と、
   を含むことを特徴とする鋳鋼部材の溶接方法。
2. 前記開先は、前記鋳鋼部材の深さ方向に向かうにつれて径が小さくなる四角錐台の形状を呈する
   ことを特徴とする請求項１に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
3. 前記嵌入孔は、前記第１肉盛が完全に冷却する前に穿設される
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
4. 前記嵌入孔の径は、前記開先の底面の径よりも小さい
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
5. 前記嵌入ピンは、前記嵌入孔に嵌入されたとき、前記鋳鋼部材の表面の位置まで突出する長さを有する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
6. 前記嵌入孔は、前記開先の底面の真上に穿設される第１嵌入孔と、前記第１嵌入孔に並んで第１方向に沿って穿設される第２嵌入孔と、を含み、
   前記嵌入ピンは、前記第１嵌入孔に嵌入される第１嵌入ピンと、前記第２嵌入孔に嵌入される第２嵌入ピンと、を含む
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
7. 前記嵌入孔は、前記第１嵌入孔に並んで前記第１方向とは直交する第２方向に沿って穿設される第３嵌入孔を更に含み、
   前記嵌入ピンは、前記第３嵌入孔に嵌入される第３嵌入ピンを更に含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
8. 前記第１嵌入孔、前記第２嵌入孔、前記第３嵌入孔は、それぞれ同一の径を有し、
   前記第１嵌入ピン、前記第２嵌入ピン、前記第３嵌入ピンは、それぞれ同一の径を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
9. 前記溶接材は、ニッケル合金を含む
   ことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
10. 前記嵌入ピンは、ニッケル合金を含んで形成される
    ことを特徴とする請求項９に記載の鋳鋼部材の溶接方法。
    

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